基于zigbee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)研究畢業(yè)論文

1、<p><b>　　2010屆畢業(yè)生</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　題 目: 基于Zigbee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)研究 </p><p>　　院系名稱： 信息科學與工程學院 </p><p&

2、gt;　　專業(yè)班級： 電子信息工程06級3班 </p><p>　　學生姓名： 學 號： </p><p>　　指導教師： 教師職稱： 講師 </p><p>　　2010年 6 月 2 日</p><p><b&

3、gt;　　目 次</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目地和意義1</p><p>　　1.2 本文研究的內(nèi)容1</p><p>　　1.3 本論文的組織結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2 智能家居概述3&

4、lt;/p><p>　　2.1 智能家居的定義3</p><p>　　2.2 智能家居的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　2.3 智能家居網(wǎng)絡(luò)選擇4</p><p>　　2.4 本章小結(jié)8</p><p>　　3 Zigbee技術(shù)研究9</p><p>　　3.1 Zigb

5、ee技術(shù)的起源及特點9</p><p>　　3.2 Zigbee協(xié)議概況和體系結(jié)構(gòu)10</p><p>　　3.3 Zigbee物理層協(xié)議規(guī)范11</p><p>　　3.4 Zigbee MAC層協(xié)議規(guī)范12</p><p>　　3.5 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層12</p><p>　　3.6

6、本章小結(jié)13</p><p>　　4 基于Zigbee的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)研究14</p><p>　　4.1 總體設(shè)計方案14</p><p>　　4.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)16</p><p>　　4.3 基于Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)的組建18</p><p>　　4.4 本章小結(jié)20&

7、lt;/p><p>　　5 基于Zigbee智能家居網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計21</p><p>　　5.1 硬件總體設(shè)計21</p><p>　　5.2 處理器21</p><p>　　5.3 Zigbee無線收發(fā)模塊22</p><p>　　5.4 GPRS電路實現(xiàn)23</p><p>

8、;　　5.5 本章小結(jié)25</p><p>　　6 智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計26</p><p>　　6.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計26</p><p>　　6.2 中斷和初始化程序設(shè)計27</p><p>　　6.3 信息處理程序設(shè)計27</p><p>　　6.4 本章小結(jié)28</p>

9、;<p><b>　　結(jié) 論29</b></p><p><b>　　致 謝30</b></p><p>　　參 考 文 獻31</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目地和意義</p>

10、<p>　　科技改變生活。伴隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的進程，人類在經(jīng)過農(nóng)耕、工業(yè)、電氣化等時代后，將進入關(guān)注夢想、精神和生活情趣的新社會。你或許憧憬過這樣的生活：通過手持遙控器，可以隨時在家中的任何一個地方對各種家電設(shè)備進行智能控制，調(diào)節(jié)冰箱溫度、打開關(guān)閉窗簾、設(shè)置空調(diào)溫度、控制洗衣機洗滌衣物等等；安防系統(tǒng)會隨時進行煙霧探測、入侵檢測，為主人提供生命安全保障；借助于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，你可以在外出時通過手機或互聯(lián)網(wǎng)對家中的設(shè)備進行遠程控制，炎

11、熱的夏天,你完全可以在回家之前，提前打開空調(diào)……智能家居(Smart Home)的出現(xiàn)，讓這樣的生活場景逐步成為現(xiàn)實。</p><p>　　舒適的家庭居住環(huán)境是人們對生活的不斷追求。近年來隨著人民生活水平和知識層次的不斷提高，人們也將注意力越來越多的放在了生活環(huán)境的安全性、舒適性和便利性上，因此也就產(chǎn)生了對家居智能化的需求；與此同時，在科學技術(shù)方面,計算機控制技術(shù)與電子信息通訊技術(shù)的飛速發(fā)展也促成了智能家居系統(tǒng)的

12、出現(xiàn)。</p><p>　　智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、舒適、環(huán)保、智能化、個性化的獨特魅力，對于改善現(xiàn)代人類的生活質(zhì)量，創(chuàng)造舒適、安全、便利的生活空間有著非常重要的意義，具有非常廣闊的市場前景?；谝陨戏N種，本文將利用現(xiàn)存的各種技術(shù)對智能家居網(wǎng)絡(luò)進行全面研究，以滿足21世紀人類對家居生活的新要求。</p><p>　　1.2 本文研究的內(nèi)容</p><p>

13、;　　在智能家居網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)中，由于平臺和組網(wǎng)方式的多樣化，導致了智能家居網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方案多樣化，考慮到成本和性能等多方面因素，本論文采用近年逐漸興起的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)的組建，重點研究智能家居無線網(wǎng)絡(luò)的組建和家庭控制網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的通信、并在最后討論了智能家居無線網(wǎng)絡(luò)的軟硬件實現(xiàn)的問題。本文的主要工作有以下幾個方面：</p><p>　　1.詳細了解了智能家居的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，明確研究目的。

14、</p><p>　　2.通過幾種近距離無線網(wǎng)技術(shù)的對比確定了Zigbee技術(shù)在智能家居應(yīng)用中的優(yōu)勢，進而重點研究了Zigbee技術(shù)的特點、基本原理，分析了Zigbee協(xié)議構(gòu)架，研究了各協(xié)議層的具體功能和作用。</p><p>　　3.通過對Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的分析研究，確立了智能家居無線網(wǎng)絡(luò)的大體組建方案。</p><p>　　4.設(shè)計了智能家居系統(tǒng)的整

15、體模型，采用單片機PICl8F4620和無線射頻芯片CC2480完成了節(jié)點設(shè)備的硬件實現(xiàn)。</p><p>　　5.在理論上指出了網(wǎng)絡(luò)控制器各功能模塊的程序工作流程。</p><p>　　1.3 本論文的組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　論文總共分為6章，各章具體介紹如下：</p><p>　　第1章為引言，介紹了本文的研究內(nèi)容、意義和全文組織

16、結(jié)構(gòu)；</p><p>　　第2章首先給出了智能家居的定義以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，接著對智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行了詳細介紹，最后對比介紹了有線和無線兩種組網(wǎng)方式；</p><p>　　第3章對Zigbee技術(shù)及其協(xié)議進行了較詳細的介紹，為下文選擇Zigbee技術(shù)用于智能家居無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提供技術(shù)基礎(chǔ)；</p><p>　　第4章首先給出了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，對系統(tǒng)組成和設(shè)計原則

17、進行了介紹。接著對基于Zigbee的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)進行了研究，介紹了Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型以及目前三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。針對智能家居網(wǎng)絡(luò)特點，采用簇狀網(wǎng)絡(luò)組建智能家居內(nèi)部網(wǎng)；</p><p>　　第5章主要介紹了智能家居網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計。首先給出了硬件總體設(shè)計，再分別具體介紹了硬件處理器部分、Zigbee無線收發(fā)模塊部分和GPRS模塊的電路實現(xiàn)；</p><p>　　第6章為智能家居網(wǎng)絡(luò)軟件

18、設(shè)計實現(xiàn)。分塊指出了各功能模塊的程序流程。</p><p><b>　　2 智能家居概述</b></p><p>　　2.1 智能家居的定義</p><p>　　智能家居（Smart Home）又稱為電子家庭(Electronic Home)、e-Home、數(shù)字家</p><p>　　園(Digital Family

19、)、家庭網(wǎng)絡(luò)(Homenet/Networks for Home)、網(wǎng)絡(luò)家居(Network Home)、智能化家庭(Intelligent Home)等，在我國香港和臺灣等地區(qū)，還有數(shù)碼家庭、數(shù)碼家居等稱法。其是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。</p><p>　　智能家居可以定義為一個過程或者一個系統(tǒng)。利用先進的計

20、算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間，還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。</p>

21、<p>　　實際上家庭自動化產(chǎn)品、家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品、信息家電產(chǎn)品等都只是智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品里的一種，它們有各自不同的產(chǎn)品特征，不能簡單地將它們劃等號。當然也有許多概念交叉的產(chǎn)品，例如機頂盒可以理解為是一個家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，但同時又是一個信息家電產(chǎn)品。</p><p>　　2.2 智能家居的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在國外智能家居已經(jīng)獲得長足發(fā)展，自世界上第一幢智能

22、建筑于1984年在美國康捏迪格州出現(xiàn)后，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)濟比較發(fā)達的國家和地區(qū)先后提出了各種智能家居方案。</p><p>　　國際上對智能家庭網(wǎng)絡(luò)的研究起于20世紀70年代，主要集中在發(fā)達國家。由于這些研究都是各國獨立進行，并具有不同的目標和市場戰(zhàn)略，因此并沒有形成統(tǒng)一的標準。20世紀80年代初，隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器面市，開始出現(xiàn)了住宅電子化（HE，Home Electroni

23、cs）的概念；80年代中期，將家用電器、通訊設(shè)備與安保防災(zāi)設(shè)備綜合為一體，形成了家居自動化概念（HA，Home Automation）。80年代末，由于通信與信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過總線技術(shù)進行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國稱為智慧屋（WH，Wise Home），在歐洲稱為時髦屋（SH，Smart Home）。</p><p>　　1998年5月新加坡舉辦的“98亞洲家庭電

24、器與電子消費品國際展覽會”上，通過在場內(nèi)模擬“未來之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系統(tǒng)。它的系統(tǒng)功能包括三表抄送功能、安防報警功能、可視對講功能、家電控制功能、有線電視接入、電話接入、住戶信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布線箱、寬帶網(wǎng)接入和系軟件配置等。這種“未來之家”家庭智能化系統(tǒng)，真正投放市場尚需時日。目前在新加坡已有近30個住宅小區(qū)近5000戶的家庭采用了“家庭智能化系統(tǒng)”，美國已有近四萬戶家庭安裝了這一類的“家庭智能化系

25、統(tǒng)”。</p><p>　　近幾年，在各大公司和媒體的強大概念宣傳攻勢下，我國智能家居行業(yè)逐漸形成，可用的、接近現(xiàn)實需求的產(chǎn)品不斷增加，集成商、開發(fā)商以及裝修公司已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗。如何建立一個高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)已成為當前社會的一個熱點問題。而國家政府機構(gòu)及各大信息家電生產(chǎn)廠商不失時機地開展了中國智能家庭網(wǎng)絡(luò)的標準化制定工作，為中國智能家居的發(fā)展提供了一個開放的標準化平臺，指明了智能家居研究領(lǐng)域正確的發(fā)

26、展方向。</p><p>　　目前我國的家庭智能化系統(tǒng)還處于從無到有的初級發(fā)展階段，家庭智能化系統(tǒng)構(gòu)成形式和手段還沒有統(tǒng)一的標準，各大廠家也適時推出了自己的智能家居系統(tǒng)，如科龍集團研制的“智能網(wǎng)絡(luò)家居系統(tǒng)”，海信的“智能家居控制系統(tǒng)”，清華同方的“e-Home數(shù)字家園”等，一時間國內(nèi)智能家居領(lǐng)域呈現(xiàn)百家爭鳴的局面。盡管智能家居在我國起步較晚，但大有風行正健之勢。</p><p>　　2.3

27、 智能家居網(wǎng)絡(luò)選擇</p><p>　　在智能家居系統(tǒng)設(shè)計中，在盡可能保持標準統(tǒng)一的前提下，針對各種信號類來選擇合適的有線或無線技術(shù)并設(shè)計控制器就成為智能家居建設(shè)的首要問題。同時考慮到它所安裝的地點是普通的私人家居并且使用者是普通居民，所以它還具有自身獨有的需求和特點，包括安全性、可用性、可靠性、靈活性、易擴展性、使用的方便性、廉價性、標準化以及體積小、重量輕和安裝方便等。目前，智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包含兩類：有

28、線家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。</p><p>　　2.3.1 有線家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)</p><p>　　有線家庭網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的優(yōu)點在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詮?，傳輸速率高，而缺點在于網(wǎng)絡(luò)體積龐大，靈活性差，且布線復雜，主要應(yīng)用于早期點對點網(wǎng)絡(luò)和星型網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)中。有線網(wǎng)的傳輸介質(zhì)主要有以下幾種：</p><p>　　1.雙絞線或同軸電纜（以太網(wǎng)線）</p>

29、;<p>　　這種連接建立在IEEE802.3標準的基礎(chǔ)上。經(jīng)過了多次修改之后，該標準實現(xiàn)了在不同的設(shè)備制造商之間的互操作性?；阢~介質(zhì)的雙絞線和同軸電纜能夠?qū)崿F(xiàn)信號的雙向傳輸、有著較高的可靠性，因而被廣泛地應(yīng)用在商業(yè)企業(yè)中，成為辦公室計算機和打印機網(wǎng)絡(luò)的標準選擇。建立這樣的網(wǎng)絡(luò)需要大量的五類電纜（CAT 5），造價昂貴，不易安裝。</p><p>　　2.銅介質(zhì)雙絞線（電話線）</p>

30、<p>　　這種連接技術(shù)利用大多數(shù)家庭已有的電話線來實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的連接，是一個經(jīng)濟實惠的方案。在一定的條件下，三類電纜（CAT 3）的傳輸速率可以達到1Mbps，而且，據(jù)估計，不久的將來它的傳輸速率可以達到10M。采用頻分復用技術(shù)，可以讓使用者在察覺不到的情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，語音與Internet服務(wù)同時工作?！凹彝ル娫捑W(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟”（Home Phone Network Alliance）正在開發(fā)一系列標準和規(guī)范，解決利用

31、電話線實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)和互操作性問題。雖然這一技術(shù)充分利用了現(xiàn)有的資源，但是線路在靈活性和帶寬方面的限制阻礙了它的進一步推廣。通常一般的家庭里沒有足夠的電話線接口，要在每一個房間或者電話、計算機和其它設(shè)備能夠觸及的地方安裝插座也會帶來了技術(shù)上和成本上的問題。而且，由于電話線路并非為高速數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計，其衰減和阻抗特性也不能很好地控制。</p><p><b>　　3.交流電力線</b>

32、</p><p>　　交流電力線可以連接整個房屋的每一個角落，而且不像某些無線電波或者紅外線，難以穿過鋼精混凝土地墻壁和地板，很早就作為家庭網(wǎng)絡(luò)的連接媒介。其中最具有代表性的就是X-10技術(shù)，目前，這種技術(shù)已是美國占據(jù)市場主流的技術(shù)，是全球第一個利用電線來控制燈飾及電子電器產(chǎn)品，并將其商業(yè)化的成功模式。X-10是以60Hz為載波，再以120KHz的脈沖為調(diào)變波，發(fā)展出數(shù)位控制的技術(shù)，并制訂出一套控制規(guī)格。其數(shù)據(jù)傳

33、輸有很高的可靠性，但是，由于電力線本身的噪聲和信號輸送能力有限，這種技術(shù)不適合數(shù)據(jù)的高速傳輸，而且也沒有任何標準來保證設(shè)備之間的互操作。</p><p>　　2.3.2 無線家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)</p><p>　　通過上節(jié)討論我們不難發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)的各種傳輸介質(zhì)存在著種種弊端。近幾年，多家著名IT企業(yè)共同合作，推出一個名為“無線家居”的最新家居理念?！盁o線家居”是未來家居的發(fā)展方向，顯然能

34、為人們?nèi)粘Ｉ钆c商務(wù)活動提供更大限度的舒適和方便，并從而開啟一個嶄新的信息家居時代。</p><p>　　在有線方式中，各傳感器和控制器的連接通過總線，它的優(yōu)點是可以簡化各功能單元的設(shè)計，缺點就是布線多，結(jié)構(gòu)復雜，也存在總線協(xié)議設(shè)計選擇的問題；而相比有線技術(shù)，無線技術(shù)不僅不存在布線的問題，而且擴展容易，維護以及使用都較簡單。從目前的發(fā)展趨勢來看，無線技術(shù)應(yīng)用于智能家居中有很大的發(fā)展空間，一方面微電子技術(shù)的發(fā)展促使

35、各種SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）的實現(xiàn)，協(xié)議的設(shè)計和實現(xiàn)都可以通過IC來完成，大大簡化了開發(fā)和實施的難度。在智能家居系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)己是勢不可擋，這不僅僅因為無線網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動性，省去了花在綜合布線上的費用和精力，而且它更符合于家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊特點，同時隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進一步發(fā)展，也必將大大促進家庭智能化、網(wǎng)絡(luò)化的進程。</p><p>　　目前，市場上的無線

36、技術(shù)種類較多，各自的技術(shù)性能不同，應(yīng)用范圍及領(lǐng)域也有所不同，其中，應(yīng)用最為廣泛的有以下幾種無線技術(shù)：</p><p>　　1.藍牙（Bluetooth）</p><p>　　藍牙技術(shù)誕生于1994年，Ericsson當時決定開發(fā)一種低功耗、低成本的無線接口，</p><p>　　以建立手機及其附件間的通信。1998年，由Ericsson、IBM、Intel、NOKI

37、A、Toshiba</p><p>　　等5家公司達成一致，共同推出了藍牙協(xié)議，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。藍牙協(xié)議的標準版本為802.15.1，由藍牙小組（SIG）負責開發(fā)，規(guī)定了PHY層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議棧。藍牙技術(shù)采用跳頻技術(shù)，工作于2.4G ISM波段。與其它2.4G波段的技術(shù)相比藍牙數(shù)據(jù)包更短，速度更快。采用前向糾錯技術(shù)抑止了長距離鏈路隨機噪聲，應(yīng)用二進制調(diào)頻技術(shù)的調(diào)頻收發(fā)器來抑制

38、干擾和防止衰落。藍牙的傳輸速率為1Mbps，傳輸距離為0.1-10米，但是通過增大發(fā)射功率可將距離增大至100米。能即時組成微微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（Piconet），每個微微網(wǎng)可包含至多8個節(jié)點，每個節(jié)點都可以作為主機和從機。藍牙技術(shù)存在著一定的局限，突出表現(xiàn)在芯片大小和價格難以下調(diào)、抗干擾能力不強、傳輸距離太短、信息安全問題等，使其應(yīng)用受到一定的限制。</p><p><b>　　2.Wi-Fi</b>

39、;</p><p>　　Wi-Fi是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是IEEE802.11b，與藍牙一樣，同屬于短距離無線通信技術(shù)。它的工作頻率也是2.4GHz頻段。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達100m左右。Wi-Fi是以太網(wǎng)的一種無線擴展，理論上只要用戶位于一個接入點四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約l1Mb/s的速度接入Web。但實際上，如果有多個用戶同時通過一個點接入

40、，帶寬被多個用戶分享，Wi-Fi的連接速度一般只有幾百kbps，在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶外。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)節(jié)點最大個數(shù)為32，傳輸距離為100m。</p><p>　　3.紅外技術(shù)（IrDA）</p><p>　　1993年，由20多個大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA Infrared Data Association），統(tǒng)一了紅外通信標準，該標準就是紅外技術(shù)，它通常采用850

41、mm的紅外光傳輸數(shù)據(jù)信息，紅外通訊技術(shù)是一種點對點的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，是傳統(tǒng)的設(shè)備之間連接線纜的替代。它的通訊距離一般在0到1米之間，傳輸速率最快可達16Mbps，通訊介質(zhì)為波長為900納米左右的近紅外線。它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺所支持，通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)。主要是用來取代點對點的線纜連接；保密性強；傳輸速率較高，目前4M速率的FIR技術(shù)已被廣泛使用，16

42、M速率的VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。雖然紅外技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中已形成趨勢，但由于其傳輸距離有限．傳輸方向性強等缺點，在應(yīng)用范圍上受到了一定程度的限制。</p><p>　　4.智蜂技術(shù)（Zigbee）</p><p>　　Zigbee聯(lián)盟成立于2002年8月，由英國lnvensys、三菱、美國摩托羅拉及荷蘭菲利浦組成，至今已吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商加盟。IEEE專門成立了IEEE

43、802.15.4標準工作組致力于定義一種供廉價的、固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。Zigbee是一種短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，強調(diào)低成本、低耗電、雙向傳輸、傳感器網(wǎng)絡(luò)功能等特色。Zigbee傳輸速度為20k～250kbps，并隨著傳輸距離的延長而減慢，較藍牙的1Mbps慢。Zigbee適用于一些簡單、低成本的無線局域網(wǎng)絡(luò)，耗電低，只要使用兩節(jié)五號電池即可維持半年或數(shù)年間不用換電池，對于一般工業(yè)環(huán)境或家庭都

44、很適用。圖2.1給出了目前熱門的幾種短距離無線通信技術(shù)之間的比較。</p><p>　　圖2.1 幾種無線技術(shù)的比較</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先對智能家居系統(tǒng)進行了簡要概述，包括智能家居的定義和國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展，接著對智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分有線和無線兩方面分別進行了詳細的對比介紹，

45、對于智能家居系統(tǒng)來說，采用無線網(wǎng)絡(luò)不僅為家居智能化提供靈活簡便的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，省去了浪費在布線上的人力和物力，并且更符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的特點，通過本章的討論，明確了智能家居網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式和采用的無線技術(shù)。</p><p>　　3 Zigbee技術(shù)研究</p><p>　　3.1 Zigbee技術(shù)的起源及特點</p><p>　　Zigbee是一種新興的短距離、低復雜度

46、、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和嗡嗡（zig）地抖動翅膀的舞蹈來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN）工作組的一項標準，被稱作IEEE802

47、.15.4（Zigbee）技術(shù)標準。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標準化。Zigbee網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器發(fā)起的，每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。Zigbee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標識，而且利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)遠距離傳輸，數(shù)據(jù)不會被其它節(jié)點所獲得。Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下

48、半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“Zigbee”的下一代無線通信標準，這一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉和飛利浦等國際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有150家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導體</p><p>　　1.設(shè)備省電--Z

49、igbee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間；</p><p>　　2.通信可靠--Zigbee采用了CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，帶沖突避免的載波偵聽多路訪問）的沖突避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；MAC層采用了完全

50、確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息；</p><p>　　3.網(wǎng)絡(luò)的自組織能力強--Zigbee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　4.自愈功能強--增加或者刪除一個節(jié)點、節(jié)點位置發(fā)生變動、節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系

51、統(tǒng)仍然能正常工作。</p><p>　　5.成本低廉--設(shè)備的復雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專利費的，這些可以有效地降低設(shè)備成本，Zigbee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，就是沒有使用費的無線通信；</p><p>　　6.網(wǎng)絡(luò)容量大--一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在200多個Zigbee網(wǎng)絡(luò)；</p>&

52、lt;p>　　7.數(shù)據(jù)安全--Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能。</p><p>　　3.2 Zigbee協(xié)議概況和體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　Zigbee協(xié)議使用IEEE802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（PHY）。IEEE802.15.4總共定義了3個工作頻帶：2.4GHz，915MHz，868MHz。每個頻帶提供固定數(shù)量的信道。例如，2.4GHz

53、頻帶總共提供16個信道（信道11-26）、915MHz頻帶提供10個信道（信道1-l0）而868MHz頻帶提供1個信道（信道0）。</p><p>　　IEEE802.15.4標準是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)（Low-rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN），把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一的標準。<

54、;/p><p>　　IEEE802.15.4標準定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：</p><p>　　1.在不同的載波頻率下實現(xiàn)20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率；</p><p>　　2.支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；</p><p>　　3.有16位和64位兩種地址格式。64位地址是全球唯一的擴展地址，而1

55、6位地址是網(wǎng)內(nèi)通信短地址；</p><p>　　4.支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)（CSMA-CA）；</p><p>　　5.支持確認（ACK）機制，保證傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　　IEEE802.15.4 MAC數(shù)據(jù)包的最大長度為127字節(jié)。每個數(shù)據(jù)包都由頭字節(jié)和16位CRC（Cyclic Redundancy Code，循環(huán)冗余碼）值組成。16位CRC

56、值驗證幀的完整性。此外，IEEE802.15.4還可以選擇使用應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸機制。使用這種方法，所有ACK標志位置1的幀均會被它們的接收器應(yīng)答。這就可以確定幀實際上已經(jīng)被傳遞了。如果發(fā)送幀的時候置位了ACK標志位，但是在一定的超時期限內(nèi)沒有收到應(yīng)答，發(fā)送器將重復進行固定次數(shù)的發(fā)送，如仍無應(yīng)答就宣布發(fā)生錯誤。非常重要的是接收到應(yīng)答僅僅表示幀被MAC層正確接收，而不表示幀被正確處理。接收節(jié)點的MAC層可能正確地接收并應(yīng)答了一個幀，但是由于缺乏

57、處理資源，該幀可能被上層丟棄。因此，很多上層和應(yīng)用程序要求其他的應(yīng)答響應(yīng)。</p><p>　　Zigbee技術(shù)是一種可靠性高、功耗低的無線通信技術(shù)，在Zigbee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個簡化標準。每一層負責完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理（PHY）層、媒體接入控制（MAC）層、網(wǎng)絡(luò)/安全層以及應(yīng)用框架層組成，

58、Zigbee技術(shù)是建立于IEEE802.15.4協(xié)議之上的，IEEE802.15.4工作組主要負責物理層和MAC層協(xié)議的制定，上層的應(yīng)用以及開發(fā)均由Zigbee聯(lián)盟負責。其各層之間分布如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 Zigbee協(xié)議各層的隸屬關(guān)系</p><p>　　3.3 Zigbee物理層協(xié)議規(guī)范</p><p>　　物理層的主要工作是啟動與

59、關(guān)閉無線傳輸接收器、傳輸與接收數(shù)據(jù)、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號能量偵測、數(shù)據(jù)調(diào)制傳輸與接收解調(diào)、空閑頻道評估和針對接收的封包執(zhí)行鏈路品質(zhì)指示。</p><p>　　Zigbee所使用的頻率范圍主要分為歐洲領(lǐng)域內(nèi)的868MHz、北美領(lǐng)域內(nèi)的915MHz以及全球范圍內(nèi)的2.4GHz ISM頻段。上述頻段無線信道個數(shù)分別為1、10、16個。通常Zigbee不能同時兼容這3個工作頻段，我國規(guī)定Zigbee的使用頻

60、段為2.4GHz，發(fā)射功率范圍為0至+10dBm</p><p>　　在IEEE802.15.4標準協(xié)議中，規(guī)定了2.4GHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，它采用16相位準正交調(diào)制技術(shù)。在調(diào)制前，將數(shù)據(jù)信號進行轉(zhuǎn)換處理，每4位信息比特組成一個符號數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的符號數(shù)據(jù)，將其映射成一個32位的偽隨機序列，最后通過半正弦脈沖形式的O-QPSK調(diào)制方法，將碼元數(shù)據(jù)調(diào)制到載波信號上。</p>&l

61、t;p>　　3.4 Zigbee MAC層協(xié)議規(guī)范</p><p>　　MAC層處理所有物理層無線信道的接入，在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路。Zigbee MAC的主要工作為支持通訊鏈路的建立與斷開，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)信標(Beacon)信號，使信標訊號同步，運用CSMA-CA，及處理與維護GTS(Guaranteed Time Slots，有保證的時間槽)。此外，MAC的加密子層可支持

62、通訊加密功能。</p><p>　　MAC層的多重存取協(xié)議有三種不同的模式，即為時槽式(Slotted CSMA-CA)模式、非時槽式（Unslotted CSMA-CA）模式以及GTS模式，其中GTS主要用于緊急情境或周期性訊號的傳遞。通用MAC層結(jié)構(gòu)，即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)包括MAC層幀頭、MAC載荷以及MAC層幀尾。</p><p>　　在MAC層，有四種類型幀，它們分別

63、為信標幀、數(shù)據(jù)幀、確認幀和MAC命令幀。其中，信標幀一般由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送，用于回送設(shè)備發(fā)起的信標請求命令；數(shù)據(jù)幀用于在兩個對等的MAC層傳遞數(shù)據(jù)；確認幀用于對要求確認的幀進行回送確認；MAC命令幀用于在對等MAC層執(zhí)行MAC命令動作。</p><p>　　3.5 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層</p><p>　　Zigbee網(wǎng)絡(luò)層分為兩個部分，即網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)部分（Network Layer

64、Data Entity，NLDE）與網(wǎng)絡(luò)層管理部分（Network Layer Management Entity，NLME）。NLDE負責產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）與傳輸所需的路由。而NLME工作包括負責設(shè)定Zigbee元件成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，或加入或離開已存在的WPAN，啟動WPAN尋址，發(fā)現(xiàn)臨近Zigbee元件，尋找路由路徑，與MAC接收啟動控制。</p><p>　

65、　Zigbee網(wǎng)絡(luò)層支持星型、簇型和網(wǎng)狀型拓撲結(jié)構(gòu)。在星型拓撲結(jié)構(gòu)中，整個網(wǎng)絡(luò)由Zigbee協(xié)調(diào)器來控制，由它負責發(fā)起和維持網(wǎng)絡(luò)正常工作，保持同網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備通信，兩終端設(shè)備不能通信。在簇型和網(wǎng)狀型拓撲結(jié)構(gòu)中，Zigbee協(xié)調(diào)器負責啟動網(wǎng)絡(luò)以及選擇關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，同時，也可以使用Zigbee路由器來擴展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　Zigbee應(yīng)用層由三個部分組成，APS子層、ZDO（包含ZDO管理平臺）和制造商

66、定義的應(yīng)用對象。其中，APS提供了這樣的接口：在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間，從ZDO到供應(yīng)商的應(yīng)用對象的通用服務(wù)集。這服務(wù)由兩個實體實現(xiàn)：APS數(shù)據(jù)實體（APSDE）和APS管理實體（APSME）。Zigbee設(shè)備對象（ZDO），描述了一個基本的功能函數(shù)，這個功能在應(yīng)用對象、設(shè)備對象和APS之間提供了一個接口。ZDO位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。Zigbee應(yīng)用層主要是透過應(yīng)用層支持子層（APS）與網(wǎng)絡(luò)層溝通。</p><

67、p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對Zigbee技術(shù)的協(xié)議進行研究。首先對Zigbee技術(shù)進行了簡要介紹，接著分別對Zigbee的各層協(xié)議，如物理層協(xié)議，MAC層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的主要功能、職責和工作過程進行了介紹，為后續(xù)工作的開展提供技術(shù)基礎(chǔ)。</p><p>　　4 基于Zigbee的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)研究</

68、p><p>　　4.1 總體設(shè)計方案</p><p>　　在智能家居系統(tǒng)設(shè)計中，針對各種信號類型來選擇合適的總線或無線技術(shù)并設(shè)計主控制器己成為智能家居建設(shè)的首要問題。在有線方式中，各傳感器和控制器的連接通過總線，它的優(yōu)點是可以簡化各功能單元的設(shè)計，缺點就是布線多，結(jié)構(gòu)復雜，也存在總線協(xié)議設(shè)計選擇的問題。針對智能家居中采用有線方式存在的問題，本文探討了一種采用Zigbee無線通信技術(shù)的新型智能

69、家居系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)組成框圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 智能家居系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　由圖可知，系統(tǒng)主要由智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點，與智能家居設(shè)備相連的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點，每個房間放置的充當路由器的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點，功能控制驅(qū)動模塊和相應(yīng)的家居設(shè)備構(gòu)成。</p><p>　　本文采用的是將功能控制模塊和通信模塊（智能

70、家居網(wǎng)絡(luò)控制器）分開實現(xiàn)的方案，功能控制驅(qū)動模塊實現(xiàn)與各種家居設(shè)備的接口，并作為家居設(shè)備的功能執(zhí)行機構(gòu)，其與相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點進行通信。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點、每個房間放置的充當路由器功能的分節(jié)點和智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點組成Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)，是整個智能家居系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。每個智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器包括一個Zigbee無線收發(fā)模塊，其中主節(jié)點還擴展有GPRS模塊，這樣用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)和移動電話對家居設(shè)備進行遠程監(jiān)控。

71、系統(tǒng)采用該設(shè)計方案，可以方便地組建智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，與各個家居設(shè)備進行通信，當加入新的家居設(shè)備時，只需要對功能控制模塊進行相應(yīng)的修改，當刪除家居設(shè)備時，也只需要移除相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點。因此該方案具有設(shè)計靈活，通用性好，可擴展性好等優(yōu)點。</p><p>　　系統(tǒng)工作流程如下：首先智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器（主節(jié)點）建立Zigbee智能網(wǎng)絡(luò)，各個網(wǎng)絡(luò)控制器（分節(jié)點）隨后加入該網(wǎng)絡(luò)，他們共同組成一個簇狀的Zigb

72、ee無線家居網(wǎng)絡(luò)。當需要對某一家居設(shè)備進行控制或者監(jiān)測時，主節(jié)點找到與該家居設(shè)備相連的分節(jié)點的ID信息，并將控制信息發(fā)往該分節(jié)點所在房間的路由器，路由器再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的分節(jié)點，分節(jié)點接收到信息后，送入功能驅(qū)動模塊，功能驅(qū)動模塊對該家居設(shè)備進行相應(yīng)的操作；同時主節(jié)點擴展了GPRS模塊，用戶可以通過移動電話或者互聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)測，用戶遠程監(jiān)測時，發(fā)送信息到GPRS模塊中的SIM手機號碼，GPRS模塊接收到該信息，傳給主節(jié)點，主節(jié)點對該信息進

73、行解析，并通過Zigbee智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)的家居設(shè)備。同時考慮到整個家居網(wǎng)絡(luò)的健全性，一旦主節(jié)點發(fā)生癱瘓，采用相應(yīng)策略由某個房間的路由器充當主節(jié)點功能。</p><p>　　在整個智能家居系統(tǒng)中，總線或網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是系統(tǒng)的核心部分，其不僅影響整個系統(tǒng)的成本和施工長短，還與系統(tǒng)的安全性、可用性/可靠性、靈活性/易擴展性有直接的關(guān)聯(lián)。因此本文主要對智能家居系統(tǒng)中的Zigbee無線通信技術(shù)進行了研究。</p&g

74、t;<p>　　目前，對于絕大多數(shù)的智能家電而言，其本身的計算能力和存儲能力都非常的有限，依照傳統(tǒng)的設(shè)計觀念，只有通過提高家電本身的硬件和軟件資源來實現(xiàn)智能家電的各種功能，這樣必然會出現(xiàn)成本提高的問題，因而影響到智能家電的發(fā)展和普及。本文利用家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對各種智能家電進行互連，因此可以利用共享網(wǎng)絡(luò)資源來大幅度降低成本。采用Zigbee無線通信技術(shù)的新型智能家居系統(tǒng)設(shè)計必須遵循以下設(shè)計原則：</p><p

75、>　　1.提高家居網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性</p><p>　　家居網(wǎng)絡(luò)將各個家居設(shè)備組建成網(wǎng)絡(luò)，使之成為一個有機協(xié)調(diào)互動的整體，在這個網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒅饕强刂菩畔⒁约耙恍┪锢砹康膮?shù)。信號的傳輸速率可以比較低，一般在數(shù)10Kbps就可滿足要求，但是信息傳輸?shù)目煽啃砸蟊容^高。這是因為它傳輸?shù)男畔⑹歉鞣N設(shè)備的狀態(tài)和控制信息，它的錯誤不僅可能導致設(shè)備的非正常工作，而且可能導致設(shè)備的損壞。</p>&

76、lt;p>　　2.使家居網(wǎng)絡(luò)具有自組織性，自適應(yīng)性</p><p>　　家居設(shè)備位置的頻繁更換和網(wǎng)絡(luò)控制器的癱瘓等，都可能引起網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化和網(wǎng)絡(luò)通信不暢，從而使智能家居系統(tǒng)停止工作等。因此家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有自組織性和自適應(yīng)性，以適應(yīng)各種復雜的場合。</p><p><b>　　3.提高網(wǎng)絡(luò)安全性</b></p><p>　　智能家居設(shè)備

77、一般是普通的私人家居并且使用者是普通居民，所以它還具有自身獨有的需求和特點，包括安全性、可用性/可靠性、靈活性/易擴展性、使用的方便性、廉價性、標準化以及體積小、重量輕和安裝方便等。</p><p>　　4.使系統(tǒng)具有可擴展性</p><p>　　隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，各種新型的家電將設(shè)備不斷進入家庭，因此系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可擴展性，滿足人們不斷更新的需要。</p&g

78、t;<p>　　4.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　Zigbee設(shè)備共分為兩種類型：全功能設(shè)備FFD（Full Function Dcvice）和精簡功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）。FFD可以與任何Zigbee設(shè)備進行通信，但RFD僅能與FFD通信，兩個RFD之間如要進行通信需通過FFD的中轉(zhuǎn)傳輸。由于這兩種設(shè)備的獨特性質(zhì)，在組建一個Zigbee

79、網(wǎng)絡(luò)的時候就出現(xiàn)了三種設(shè)備角色：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(由一個FFD組成)、路由器(由一個FFD組成)和終端設(shè)備(由一個FFD或RFD組成)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除了直接參與應(yīng)用外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)；路由器的任務(wù)則是增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量和擴展網(wǎng)絡(luò)物理范圍；終端設(shè)備僅僅只能完成監(jiān)測和控制的功能。根據(jù)應(yīng)用的需求Zigbee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有兩種拓撲結(jié)構(gòu)：星型的拓撲結(jié)構(gòu)和對等的拓撲結(jié)構(gòu)。如圖4.2所示，其中的網(wǎng)狀和簇狀結(jié)構(gòu)都屬于對等拓撲

80、結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖4.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　在Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，最基本的單元是設(shè)備，這個設(shè)備可以是一個RFD也可以是FFD；在同一物理信道的通信范圍內(nèi)，兩個或者兩個以上的設(shè)備可構(gòu)成一個WPAN。但是，在這一個網(wǎng)絡(luò)中至少要求有一個FFD作為PAN（personal area network，個人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)調(diào)器。</p><p&g

81、t;　　4.2.1 星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)由PAN主協(xié)調(diào)器和多個從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須為一個 FFD，從設(shè)備既可為FFD也可為RFD，整個網(wǎng)絡(luò)以主協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)主協(xié)調(diào)器PAN進行通信。當一個FFD第一次被激活后，它就會建立一個自己的網(wǎng)絡(luò)，將自身成為一個PAN主協(xié)調(diào)器。所有星型網(wǎng)絡(luò)的操作獨立于當前其他星型網(wǎng)絡(luò)的操作，這就說明了在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中只有一個唯一的PAN

82、主協(xié)調(diào)器，通過選擇一個PAN標識符確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。任何一個FFD都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層決定。一個簡單的策略是：一個FFD在第一次被激活后，首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求，如果接收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再通過一個系統(tǒng)認證過程，設(shè)備就成為了該網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。如果沒有收到回應(yīng)，或者認證過程不成功，這個FFD就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且

83、成為這個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。</p><p>　　4.2.2 對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　在對等的拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，同樣存在一個PAN主設(shè)備，但該網(wǎng)絡(luò)不同于星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)中的任何一個設(shè)備只要是在它的通信范圍之內(nèi)，就可以和其他設(shè)備進行通信。對等拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)成較為復雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如簇狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在對等拓撲結(jié)構(gòu)中，任何一個設(shè)備都可定義為PAN主協(xié)調(diào)器

84、，例如，可將信道中第一個通信的設(shè)備定義為PAN主協(xié)調(diào)器。</p><p>　　簇狀網(wǎng)絡(luò)是對等網(wǎng)絡(luò)的一種應(yīng)用，在此種網(wǎng)絡(luò)中，絕大多數(shù)的設(shè)備是FFD設(shè)備，而RFD設(shè)備總是作為簇樹的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。任意一個FFD都可以充當RFD協(xié)調(diào)器或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，為其他設(shè)備提供同步信息。但是在這些協(xié)調(diào)器中，只有一個可以充當整個點對點網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可能和網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備一樣，也可能擁有比其他設(shè)備更多的計算資源和能量資源

85、。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先將自己設(shè)為簇頭（Cluster Header，CLH）并將簇標識號（Cluster Identifier，CID）設(shè)置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網(wǎng)絡(luò)標識號，形成網(wǎng)絡(luò)的第一個簇，接著，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始廣播信標幀。臨近設(shè)備收到信標幀后，就可以申請加入該簇。設(shè)備可否成為簇成員，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定。如果請求被允許，則該設(shè)備將作為簇的字設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的鄰居節(jié)點列表中。</p><p>　　另

86、外，還有一種對等網(wǎng)絡(luò)--網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，他與簇型網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，但最大的不同在于一個PAN網(wǎng)絡(luò)中，任何兩個終端設(shè)備，只要是由FFD構(gòu)成的，相互之間就可直接通信。但是，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復雜，相比之下價格昂貴，并且由于可通信節(jié)點過多，容易產(chǎn)生信道沖突，會增加消息傳遞的延遲和通信開銷。</p><p>　　4.3 基于Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)的組建</p><p>　　目前，大部分的無線智能家

87、居網(wǎng)絡(luò)都采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，以一臺PC機作為主控制器，在PC機上外接一個FFD Zigbee模塊，從而充當星型網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，但同時也存在著一個很嚴重的缺點：一旦網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器損壞或者能量耗盡，整個網(wǎng)絡(luò)將處于癱瘓狀態(tài)，無法實現(xiàn)控制操作，智能家居也失去了意義。通過上節(jié)的介紹我們又知道網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復雜，相比之下價格昂貴，對于智能家居實現(xiàn)低成本的目的來說不太適用，并且由于可通信節(jié)點過多，容易產(chǎn)生信道沖突，會增加消息傳遞

88、的延遲和通信開銷。因此，本系統(tǒng)結(jié)合智能家居的實際情況采用了Zigbee簇狀結(jié)構(gòu)組建無線智能家居網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮到智能家居系統(tǒng)具有復用性，安裝容易，調(diào)試簡單，通用性好等特點，采用了模塊化設(shè)計原則，即家居系統(tǒng)的通信部分和功能驅(qū)動模塊分開實現(xiàn)，通信部分由網(wǎng)絡(luò)控制器來充當。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點作為家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器即智能家居設(shè)備的主控制器，同時在每一個房間安裝一個智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)

89、點實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的路由器功能，每個家居設(shè)備也連接一個智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點。這樣組成一個小型家庭簇狀網(wǎng)絡(luò)，如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于這種家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)計網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程如下：首先由充當協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點發(fā)起請求并建立網(wǎng)絡(luò)，同時創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)鄰接表，隨后為每個路由器分配一個16位PAN ID（此地址僅

90、在該網(wǎng)絡(luò)中有效），并將信息添加到該網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的添加就完成了。當路由器下層的家居設(shè)備想加入該網(wǎng)絡(luò)時，將自身信息（如由IEEE分配的64位全球唯一標識符等）發(fā)送給路由器，再由路由器將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)不同路由器轉(zhuǎn)發(fā)來的信息進行分組，然后為每個家電分配一個16位的PAN ID，再將此家電設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，標志終端設(shè)備（家電）被添加到此網(wǎng)絡(luò)中。</p><p><b>　　

91、4.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　針對智能家居系統(tǒng)的特點和發(fā)展趨勢，本章首先介紹了系統(tǒng)組成，并對系統(tǒng)各個部分進行了簡要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設(shè)計原則。接著主要對基于Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)進行了研究，介紹了Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型以及目前三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。針對智能家居的實際情況，采用了Zigbee簇狀結(jié)構(gòu)組建無線智能家居網(wǎng)絡(luò)，并給出了相應(yīng)的家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。采用該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，實現(xiàn)的智能

92、家居系統(tǒng)具有復用性，安裝容易，調(diào)試簡單，通用性好等特點。</p><p>　　5 基于Zigbee智能家居網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計</p><p>　　5.1 硬件總體設(shè)計</p><p>　　智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器硬件主要由單片機，Zigbee無線收發(fā)模塊，GPRS模塊，人機交互等組成，本論文中的單片機采用美國微芯公司的PICl8F4620，Zigbee無線收發(fā)模塊采用T

93、I公司的CC2480，GPRS模塊采用德國西門子公司的MC55，其硬件框圖如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 硬件系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　5.2 處理器</b></p><p>　　硬件處理器采用Microchip Technology的PICl8F4620單片機，PICl8系列是高性能、CMOS、集成了模數(shù)（A/

94、D）轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài)MCU（Micro Control Unit）系列。PICl8 MCU采用先進的RISC架構(gòu)，支持FLASH和OTP器件。指令和數(shù)據(jù)總線相互分離的哈佛結(jié)構(gòu)允許16位指令和8位數(shù)據(jù)同時在分離的總線上傳輸。兩級指令流水線使得除了程序跳轉(zhuǎn)指令需要兩個周期外，其余所有指令在一個周期內(nèi)執(zhí)行。指令共有77條（精簡指令集）。此外，實現(xiàn)了革新架構(gòu)的大寄存器集，使MCU具有10MIPS的高性能。PICl8器件具備特殊功能模塊，減少了外部

95、元件的使用，因此最大限度地降低了成本、提高了系統(tǒng)可靠性并降低了功耗。</p><p>　　考慮到單片機與高頻芯片的通信，以及以后系統(tǒng)的性能擴展和程序存儲等的要求，在設(shè)計的時候選擇了40管腳PDIP封裝的PICl8F4620微控制器，它是一款專為低功耗需求設(shè)計的。它的工作電壓只有3.3V，可直接與高頻芯片通信。同時具有3986B的RAM，64KB的FALSH。其管腳圖如圖5.2所示。</p><

96、p>　　圖5.2 PICl8LF4620管腳圖</p><p>　　5.3 Zigbee無線收發(fā)模塊</p><p>　　TI公司的CC2480，是一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4G低成本、低功耗的Z-Accel Zigbee處理器，經(jīng)過最小的開發(fā)努力就能實現(xiàn)完全的Zigbee功能。CC2480通過一個SPI或UART接口能和任何微處理器通信，不需要學習一個新的微處理

97、器或新工具。CC2480的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。</p><p>　　CC2480芯片主要性能特點：</p><p>　　1.運行于成熟穩(wěn)定的Zigbee2006協(xié)議棧；</p><p>　　2.為任何微控

98、制器提供SPI（Serial Peripheral interface，串行外圍設(shè)備接口）或UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收/發(fā)裝置）接口；</p><p>　　3.可成為任何類型的Ziggbee設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備；</p><p>　　4.作為終端設(shè)備時，在閑置期間自動進入低功耗模式；</p&g

99、t;<p>　　5.超低電流消耗、高接收靈敏度、強抗干擾能力；</p><p>　　6.完全集成和加強的IEEE802.15.4兼容的2.4GHz DSSS RF收發(fā)器；</p><p>　　7.內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電（2.0～3.6）；</p><p>　　本系統(tǒng)的CC2480外圍電路圖如圖5.3所示。</

100、p><p>　　圖5.3 CC2480外圍電路圖</p><p>　　5.4 GPRS電路實現(xiàn)</p><p>　　5.4.1 GPRS介紹</p><p>　　通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）是在現(xiàn)有GSM技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新的承載業(yè)務(wù)，GPRS在移動終端與計算機通信網(wǎng)絡(luò)的路由器

101、之間提供了分組傳遞業(yè)務(wù)，這也是GPRS網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別。與GSM網(wǎng)絡(luò)相比，GPRS網(wǎng)絡(luò)能更有效的利用無線資源，特別適用于長時間、小流量的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。借助于多時隙綁定和高速編碼方案，GPRS速率理論上最高可達171.2Kbps。從2002年5月起，中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)正式開始商用，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍包括了全國所有省會城市和大部分大中城市。作為移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最主要的承載方式，與其他無線通訊方式相比，GPRS業(yè)務(wù)具有實時傳輸、運營

102、費用低網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等優(yōu)點。因此，基于GPRS的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)在多種行業(yè)中得了廣泛應(yīng)用，如用于監(jiān)控、金融、車載定位等。</p><p>　　作為2.5G網(wǎng)絡(luò)，GPRS技術(shù)是GSM網(wǎng)絡(luò)由2G向3G平滑過渡的必由路。與2G（GSM）相比較，其具有以下技術(shù)優(yōu)勢：</p><p>　　1.移動數(shù)據(jù)速率高，最大達到171.2kbps。而GSM僅為9.6kbps；</p><p>

103、;　　2.呼叫接入時間短：分組交換接入時間縮短為少于1s，一旦手機注冊上GPRS網(wǎng)絡(luò)，手機就一直連接在網(wǎng)絡(luò)上；</p><p>　　3.收費策略靈活，可以按流量計費或包月制等多種方式計費；</p><p>　　4.有效支持短消息和WAP業(yè)務(wù)；</p><p>　　5.由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其它分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無線接入。</

104、p><p>　　GPRS在一個發(fā)送實體和另一個或多個發(fā)送實體之間提供數(shù)據(jù)傳輸，這些實體可以是連接到一個GPRS網(wǎng)絡(luò)或一個外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的終端設(shè)備。尤其適用于間歇性、非周期性數(shù)據(jù)傳輸（相鄰兩次傳輸?shù)臅r間間隔遠遠大于平均傳輸延遲）；少量數(shù)據(jù)的頻繁傳輸；較大容量數(shù)據(jù)的不頻繁傳輸。</p><p>　　5.4.2 GPRS電路設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計采用西門子公司的MC5

105、5模塊，該模塊具有以下特點：</p><p>　　1.緊湊的尺寸，僅5.5克的重量；</p><p>　　2.雙三頻工作模式：900，1800和1900MHz；</p><p>　　3.語音和數(shù)據(jù)傳輸功能；</p><p>　　4.設(shè)計用于基于Microsoft Windows Mobile TM平臺的設(shè)備(smart phones and